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【摘要】：笔者运用国内外实际生产运行的LNG液化装置系统，说明级联系式制冷工艺、膨胀式制冷工艺与混合式制冷工艺的特征，研究创新开发的混合式制冷工艺方法，实施混合式制冷工艺的区分，探索区分诸多天然气液化工艺的耗能与液化循环特点。
【关键词】：天然气液化 液化制冷工艺选择
中图分类号：S146 文献标识码：A
一、前言
天然气消费的增长推进了液化天然气工业的飞速向前发展，从2007年起，国内开始陆续使用国产设备与技术，在山东、黑龙江等地投资建设液化天然气厂家，大多数液化天然气厂家目前已投产使用，运转情况良好。现阶段，国内通常使用的天然气液化制冷工艺有三种类型：即：级联式制冷工艺、膨胀式制冷工艺和混合式制冷工艺。笔者经过对此三种制冷式循环工艺的经济、技术、安全及运行管理等诸方面实行区分差异化，为液化天然气厂家的制冷式循环工艺选择提供科学依据。
二、天然气液化工艺技术
1.级联式制冷工艺技术
级联式制冷工艺流程见图1。
级联式制冷工艺技术说明。级联式制冷工艺技术重点运用于基础负荷型天然气液化装置系统。级联式制冷工艺技术流程普遍推行三级独立的制冷式循环械构成。一级丙烷制冷循环是天然气、乙烯与甲烷给予冷量；二级乙烯制冷循环是天然气与甲烷给予冷量；三级甲烷制冷循环是天然气给予冷量，天然气的温度慢慢降低一直到液化。一级采取丙烷作为制冷剂，通过鉴定净化后的原料气体，在丙烷换热器中冷却至-35--40℃之后进行二级冷却。经过丙烷换热器中进行蒸发出来的丙烷气体通过压缩机增加压力，在水冷器冷却以后重新进行液化，还要循环至丙烷换热器之中。二级使用乙烯或者乙烷作为制冷剂，原料气在二级中被转换到热到-80--l00℃，同时，被液化后转入三级冷却，经过乙烯换热器里蒸发好的乙烯气体通过压缩机增加压力，在水冷器冷却之后，在丙烷换热器里冷却重新实行液化，还要循环至乙烯换热器。三级采用甲烷作为制冷剂，准备就绪，经过液化天然气作用于甲烷换热器中通过过冷至-l50--163℃，而后，经过节流阀给予降压后，输送到LNG储罐进行储存。在甲烷换热器中蒸发好的气体经增加压力、水冷之后，在丙烷换热器中进行冷却、在乙烯换热器中液化后，循环至甲烷换热器。
级联式液化工艺的优势
一是能源消耗量比较低，原料气液化单位能源消耗为0.30-0.34 kW·h／m3[1]。不能超过这个数值，由于采用三组串联换热器，迫使每台换热器内部温差比较小，从而减少了由于温差引起的不可逆损耗，因而降低了系统的比功消耗量，造成直接经济损失。
二是制冷剂作为纯物质，无一定配对问题，为了简化操作，无需考虑制冷剂的匹配事宜，同时，要做好制冷剂的贮存。
三是在技术成熟的情况下，系统开始启动开车较快，制冷剂是单一组分，在一定条件下，每个系统互相影响较少，做到操作稳定，对原料气构成变更适应性比较强。
四是把冷负荷分配到3个循环与3台压缩机上，扩大了每个单条生产线的水平，在此基础之上，LNG产能可实现(800-1 000)×104 t／a的规模。
五是甲烷制冷剂完成能够从产品中的BOG气体取得。
（三）级联式液化工艺的弊端
一是机械设备多，一般必须配备三台压缩机，与此同时，流程与控制系统比较复杂，造价比较高。
二是对制冷剂纯度要求严格，乙烯及丙烷纯度必须达到99％以上，必须达到标准。
2.膨胀制冷工艺技术
（一）膨胀制冷工艺技术说明
氮-甲烷膨胀制冷工艺流程见图2。
膨胀制冷工艺技术是指应用高压制冷剂，在一定条件下，经过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷，以实现天然气的液化。气体在膨胀机中膨胀降温的过程中，能够输出功能，可以运用自如，用于驱动流程中的压缩机。在操作频繁而且必须快速启停的调峰型装置中，膨胀制冷工艺取得很好的运用。在一定条件下，依据制冷剂的差异，膨胀制冷工艺技术可区分成：氮气膨胀制冷工艺技术、氮-甲烷膨胀制冷工艺技术、天然气膨胀制冷工艺技术，对这些技术进步要有所创新。
（二）氮气膨胀式制冷工艺技术实际运行状况
一是串联二级氮气膨胀制冷工艺技术，通过本人调查研究，黑龙江省联伟高新能源道外液化天然气工厂，采取串联二级压缩氮气膨胀制冷工艺技术。在一定条件下，其是通过0.45 MPa的N2开始时的数值，经过N2压缩机两级压缩到2.4 MPa，经常数据处理，还要冷却到常温状态，与此同时，再经过两个膨胀压缩机，进一步压缩到5.3MPa达到冷却至常温状态，而且高压N2流经过冷箱被冷却到9℃，此阶段性难掌握，再进入一级膨胀机膨胀到1.6 MPa、温度降到-68.2℃，这一过程比较复杂化，而且逐步推广，再流经过冷箱被冷却到-l04.8℃，推进二级膨胀机，通过膨胀到0.49 MPa、温度降至-l49℃，取得低温N2，低温N2作为冷源带入冷箱成为天然气制冷。在一定程度上，N2出冷箱之后重新步入正轨，N2压缩机开始进行循环。此装备原料气清理规模为30×104 m3／d，与此同时，采取氮气作为制冷剂，制冷压缩机采取国产离心式压缩机，在这种情况下，其中设置一台进口主换热器，两台进口膨胀压缩机。两级串联膨胀机的生产负荷可以调整范围较小，这就要求在一定时期，级间压力调节匹配难度比较大，制冷系统运转受到环境温度及流量影响很大。
二是并联双温区氮气膨胀制冷工艺技术。黑龙江安化燃液化天然气利用有限公司液化工厂，采取自主研发设计的工艺包，设备全部国产化的并联双温区氮气膨胀制冷工艺技术液化装置。在一定条件下，0.66MPa的N2第一环节，通过鉴定，氮压机一级压缩到1.9MPa而且冷却到常温，再分别经过两台膨胀压缩机逐步形成，经过压缩到2.6MPa而且冷却到常温状态。在一定温度控制系统，高压N2分别流经冷箱的中低温渠道，被冷却到-34℃和-94℃，此时，低温段逐步膨胀取得-139 ℃低温N2，成为冷源进入冷箱作为天然气制冷。在这一处理环节上，中温N2逐步膨胀取得-97℃低温N2注入冷箱形成氮气预冷。最终两股中低温氮气复温汇集重新注入N2压缩机进行循环周转。在此过程中，这种装置原料气清理规模为16×114 m3／d，采取氮气作为制冷剂。这种装备在氮气膨胀制冷的基础上，增多了天然气预冷操作流程，这是个关键阶段，能源消耗部分取得进一步的优化组合，能源消耗低于不能带预冷操作流程，通过氮气膨胀制冷工艺技术。这个过程更重要，此装置制冷压缩机采取四台往返式压缩机，效率很高，运转很稳定，容易操作，开车比较快，流程图可靠，生产负荷可以調节范围大的程度。
（三）氮-甲烷膨胀制冷工艺技术运转状况
在一定程度下，氮-甲烷混合式膨胀制冷工艺技术，采取N2-CH4混合式气体取代纯氮气，这是氮膨胀制冷工艺技术的一种创新。通过创新之后，与混合制冷工艺技术进行对比，具有流程简单、控制比较容易、启动的时间短等特点；这个过程，与纯氮气膨胀制冷工艺技术相比，氮-甲烷膨胀制冷工艺技术可以缩小冷端的换热温差，可以避免损失，节省l1％～22％的动力损耗[3]。比如：我们铁力市宇祥瑞雪天然气有限公司调峰型液化装置，采取双温区氮-甲烷膨胀制冷循环设置，原料气清理规模为l6×114 m3／d，主要装置设备全国国产化，品牌很高，因为制冷剂中含有甲烷，为此，对制冷压缩机防爆和技术等级要求标准很高，达到标准比较难。
（四）天然气膨胀制冷工艺技术。天然气膨胀制冷工艺技术，是应用原料气天然气自身的压力能膨胀功能，因而提供天然气液化所需要的冷能量，在一定条件下，此工艺适合原料气压力比较高、附近处有低压管网，使用时可以在液化过程中，通过产生的不能液化的大量低压剩余原料气的地区冲突，非常适应于高压管网门站调峰型装备。在这一过程中，它的液化率主要决定于膨胀比率，膨胀比率越高，液化率也越高。与此同时，制冷工艺技术不要取得较低的液化温度与较高的液化率，并且膨胀机的工作性能受原料气压力，与组成变化的影响比较大。这种制冷工艺技术具有操作流程简单、设备安排紧凑、造价较低、调节灵活、工作可靠等优势。通过这些优势互补，国内黑龙江兰新珊瑚液化天然气有限公司LNG调峰装置规模为6×114 m3／d，法国的天花通达工厂就采取这种液化工艺技术。
（五）膨胀式制冷工艺技术的优势
一是与级联式制冷工艺技术与混合式制冷工艺技术比较，膨胀式制冷工艺技术流程十分简单、紧凑，造价比较低。在一定条件下，起动很快，热态起动3-5 h立即可以取得满负荷产品，运转比较灵活，适应性很强，在通常情况下，生产过程负荷调节范围较大，对于原料气构成转化有很大的适应性能，容易操作与控制。
二是采取气体状况的天然气及氮气成为循环制冷剂，一定程度下，清除了如混合制冷循环工艺中，分离与储存制冷剂的环节，简化了流程，同时，还防止由此带来的安全事项。采取单相气态制冷剂，应用科学原理，液化冷箱更简化与紧凑。
3.混合制冷工艺
（一）混合制冷工艺介绍
混合制冷工艺简称MRC，其是以C1、C2、C3、C5碳氢化合物，与N2等5 种以上的多组分混合制冷剂为制冷介质，在一定温度下，对制冷剂进行逐级的压缩、冷凝、分离、节流、蒸发而获得不同温度水平的制冷量，来实现逐步冷却与液化原料气的目标。混合制冷工艺可分为：单级混合制冷工艺、丙烷预冷混合制冷工艺、双级混合制冷工艺高效混合制冷剂，进行单级混合制冷工艺技术及装备。
（二）混合制冷工艺的优势
一是流程比较简单，设备较少，经济合算，造价比级联式制冷工艺低15% ～ 20%。二是系统较简单，管理很方便。三是混合制冷剂组成可以部分与全部从原料气本身提取和补充，是原料的重要组成部分。
（三）混合制冷工艺的缺点
一是能耗比级联式制冷工艺高10% ～ 15%之间。二是混合制冷剂的合理配比较难，需要一定的时间进行配比。三是流程计算必须给予各制冷剂与天然气原料气各组分，可靠的平衡数据和物性参数，计算难度大。四是制冷剂压缩机维护技术标准高、要求严。4
三、结束语
综上所述，对于LNG产量小于8×114t／a的液化装置，过去国内积极引进国外单级混合制冷工艺技术，取得了丰富的工艺技术与丰富实际工程经验。小型混合制冷技术国产化取得阶段性的效能，造价及运行费用均很有优势。在一定程度下，这种工藝技术可以经过调节两个循环中混合制冷剂的桅使压缩机，在较宽的进气条件和大气环境下工作。
参考文献：
[1]王保庆 天然气液化工艺技术比较分析 天然气工业 2011.09
[2]蒋洪 朱聪 雷利 天然气流化装置工艺方案设计 油气田地面工程 2010.04
【关键词】：天然气液化 液化制冷工艺选择
中图分类号：S146 文献标识码：A
一、前言
天然气消费的增长推进了液化天然气工业的飞速向前发展，从2007年起，国内开始陆续使用国产设备与技术，在山东、黑龙江等地投资建设液化天然气厂家，大多数液化天然气厂家目前已投产使用，运转情况良好。现阶段，国内通常使用的天然气液化制冷工艺有三种类型：即：级联式制冷工艺、膨胀式制冷工艺和混合式制冷工艺。笔者经过对此三种制冷式循环工艺的经济、技术、安全及运行管理等诸方面实行区分差异化，为液化天然气厂家的制冷式循环工艺选择提供科学依据。
二、天然气液化工艺技术
1.级联式制冷工艺技术
级联式制冷工艺流程见图1。
级联式制冷工艺技术说明。级联式制冷工艺技术重点运用于基础负荷型天然气液化装置系统。级联式制冷工艺技术流程普遍推行三级独立的制冷式循环械构成。一级丙烷制冷循环是天然气、乙烯与甲烷给予冷量；二级乙烯制冷循环是天然气与甲烷给予冷量；三级甲烷制冷循环是天然气给予冷量，天然气的温度慢慢降低一直到液化。一级采取丙烷作为制冷剂，通过鉴定净化后的原料气体，在丙烷换热器中冷却至-35--40℃之后进行二级冷却。经过丙烷换热器中进行蒸发出来的丙烷气体通过压缩机增加压力，在水冷器冷却以后重新进行液化，还要循环至丙烷换热器之中。二级使用乙烯或者乙烷作为制冷剂，原料气在二级中被转换到热到-80--l00℃，同时，被液化后转入三级冷却，经过乙烯换热器里蒸发好的乙烯气体通过压缩机增加压力，在水冷器冷却之后，在丙烷换热器里冷却重新实行液化，还要循环至乙烯换热器。三级采用甲烷作为制冷剂，准备就绪，经过液化天然气作用于甲烷换热器中通过过冷至-l50--163℃，而后，经过节流阀给予降压后，输送到LNG储罐进行储存。在甲烷换热器中蒸发好的气体经增加压力、水冷之后，在丙烷换热器中进行冷却、在乙烯换热器中液化后，循环至甲烷换热器。
级联式液化工艺的优势
一是能源消耗量比较低，原料气液化单位能源消耗为0.30-0.34 kW·h／m3[1]。不能超过这个数值，由于采用三组串联换热器，迫使每台换热器内部温差比较小，从而减少了由于温差引起的不可逆损耗，因而降低了系统的比功消耗量，造成直接经济损失。
二是制冷剂作为纯物质，无一定配对问题，为了简化操作，无需考虑制冷剂的匹配事宜，同时，要做好制冷剂的贮存。
三是在技术成熟的情况下，系统开始启动开车较快，制冷剂是单一组分，在一定条件下，每个系统互相影响较少，做到操作稳定，对原料气构成变更适应性比较强。
四是把冷负荷分配到3个循环与3台压缩机上，扩大了每个单条生产线的水平，在此基础之上，LNG产能可实现(800-1 000)×104 t／a的规模。
五是甲烷制冷剂完成能够从产品中的BOG气体取得。
（三）级联式液化工艺的弊端
一是机械设备多，一般必须配备三台压缩机，与此同时，流程与控制系统比较复杂，造价比较高。
二是对制冷剂纯度要求严格，乙烯及丙烷纯度必须达到99％以上，必须达到标准。
2.膨胀制冷工艺技术
（一）膨胀制冷工艺技术说明
氮-甲烷膨胀制冷工艺流程见图2。
膨胀制冷工艺技术是指应用高压制冷剂，在一定条件下，经过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷，以实现天然气的液化。气体在膨胀机中膨胀降温的过程中，能够输出功能，可以运用自如，用于驱动流程中的压缩机。在操作频繁而且必须快速启停的调峰型装置中，膨胀制冷工艺取得很好的运用。在一定条件下，依据制冷剂的差异，膨胀制冷工艺技术可区分成：氮气膨胀制冷工艺技术、氮-甲烷膨胀制冷工艺技术、天然气膨胀制冷工艺技术，对这些技术进步要有所创新。
（二）氮气膨胀式制冷工艺技术实际运行状况
一是串联二级氮气膨胀制冷工艺技术，通过本人调查研究，黑龙江省联伟高新能源道外液化天然气工厂，采取串联二级压缩氮气膨胀制冷工艺技术。在一定条件下，其是通过0.45 MPa的N2开始时的数值，经过N2压缩机两级压缩到2.4 MPa，经常数据处理，还要冷却到常温状态，与此同时，再经过两个膨胀压缩机，进一步压缩到5.3MPa达到冷却至常温状态，而且高压N2流经过冷箱被冷却到9℃，此阶段性难掌握，再进入一级膨胀机膨胀到1.6 MPa、温度降到-68.2℃，这一过程比较复杂化，而且逐步推广，再流经过冷箱被冷却到-l04.8℃，推进二级膨胀机，通过膨胀到0.49 MPa、温度降至-l49℃，取得低温N2，低温N2作为冷源带入冷箱成为天然气制冷。在一定程度上，N2出冷箱之后重新步入正轨，N2压缩机开始进行循环。此装备原料气清理规模为30×104 m3／d，与此同时，采取氮气作为制冷剂，制冷压缩机采取国产离心式压缩机，在这种情况下，其中设置一台进口主换热器，两台进口膨胀压缩机。两级串联膨胀机的生产负荷可以调整范围较小，这就要求在一定时期，级间压力调节匹配难度比较大，制冷系统运转受到环境温度及流量影响很大。
二是并联双温区氮气膨胀制冷工艺技术。黑龙江安化燃液化天然气利用有限公司液化工厂，采取自主研发设计的工艺包，设备全部国产化的并联双温区氮气膨胀制冷工艺技术液化装置。在一定条件下，0.66MPa的N2第一环节，通过鉴定，氮压机一级压缩到1.9MPa而且冷却到常温，再分别经过两台膨胀压缩机逐步形成，经过压缩到2.6MPa而且冷却到常温状态。在一定温度控制系统，高压N2分别流经冷箱的中低温渠道，被冷却到-34℃和-94℃，此时，低温段逐步膨胀取得-139 ℃低温N2，成为冷源进入冷箱作为天然气制冷。在这一处理环节上，中温N2逐步膨胀取得-97℃低温N2注入冷箱形成氮气预冷。最终两股中低温氮气复温汇集重新注入N2压缩机进行循环周转。在此过程中，这种装置原料气清理规模为16×114 m3／d，采取氮气作为制冷剂。这种装备在氮气膨胀制冷的基础上，增多了天然气预冷操作流程，这是个关键阶段，能源消耗部分取得进一步的优化组合，能源消耗低于不能带预冷操作流程，通过氮气膨胀制冷工艺技术。这个过程更重要，此装置制冷压缩机采取四台往返式压缩机，效率很高，运转很稳定，容易操作，开车比较快，流程图可靠，生产负荷可以調节范围大的程度。
（三）氮-甲烷膨胀制冷工艺技术运转状况
在一定程度下，氮-甲烷混合式膨胀制冷工艺技术，采取N2-CH4混合式气体取代纯氮气，这是氮膨胀制冷工艺技术的一种创新。通过创新之后，与混合制冷工艺技术进行对比，具有流程简单、控制比较容易、启动的时间短等特点；这个过程，与纯氮气膨胀制冷工艺技术相比，氮-甲烷膨胀制冷工艺技术可以缩小冷端的换热温差，可以避免损失，节省l1％～22％的动力损耗[3]。比如：我们铁力市宇祥瑞雪天然气有限公司调峰型液化装置，采取双温区氮-甲烷膨胀制冷循环设置，原料气清理规模为l6×114 m3／d，主要装置设备全国国产化，品牌很高，因为制冷剂中含有甲烷，为此，对制冷压缩机防爆和技术等级要求标准很高，达到标准比较难。
（四）天然气膨胀制冷工艺技术。天然气膨胀制冷工艺技术，是应用原料气天然气自身的压力能膨胀功能，因而提供天然气液化所需要的冷能量，在一定条件下，此工艺适合原料气压力比较高、附近处有低压管网，使用时可以在液化过程中，通过产生的不能液化的大量低压剩余原料气的地区冲突，非常适应于高压管网门站调峰型装备。在这一过程中，它的液化率主要决定于膨胀比率，膨胀比率越高，液化率也越高。与此同时，制冷工艺技术不要取得较低的液化温度与较高的液化率，并且膨胀机的工作性能受原料气压力，与组成变化的影响比较大。这种制冷工艺技术具有操作流程简单、设备安排紧凑、造价较低、调节灵活、工作可靠等优势。通过这些优势互补，国内黑龙江兰新珊瑚液化天然气有限公司LNG调峰装置规模为6×114 m3／d，法国的天花通达工厂就采取这种液化工艺技术。
（五）膨胀式制冷工艺技术的优势
一是与级联式制冷工艺技术与混合式制冷工艺技术比较，膨胀式制冷工艺技术流程十分简单、紧凑，造价比较低。在一定条件下，起动很快，热态起动3-5 h立即可以取得满负荷产品，运转比较灵活，适应性很强，在通常情况下，生产过程负荷调节范围较大，对于原料气构成转化有很大的适应性能，容易操作与控制。
二是采取气体状况的天然气及氮气成为循环制冷剂，一定程度下，清除了如混合制冷循环工艺中，分离与储存制冷剂的环节，简化了流程，同时，还防止由此带来的安全事项。采取单相气态制冷剂，应用科学原理，液化冷箱更简化与紧凑。
3.混合制冷工艺
（一）混合制冷工艺介绍
混合制冷工艺简称MRC，其是以C1、C2、C3、C5碳氢化合物，与N2等5 种以上的多组分混合制冷剂为制冷介质，在一定温度下，对制冷剂进行逐级的压缩、冷凝、分离、节流、蒸发而获得不同温度水平的制冷量，来实现逐步冷却与液化原料气的目标。混合制冷工艺可分为：单级混合制冷工艺、丙烷预冷混合制冷工艺、双级混合制冷工艺高效混合制冷剂，进行单级混合制冷工艺技术及装备。
（二）混合制冷工艺的优势
一是流程比较简单，设备较少，经济合算，造价比级联式制冷工艺低15% ～ 20%。二是系统较简单，管理很方便。三是混合制冷剂组成可以部分与全部从原料气本身提取和补充，是原料的重要组成部分。
（三）混合制冷工艺的缺点
一是能耗比级联式制冷工艺高10% ～ 15%之间。二是混合制冷剂的合理配比较难，需要一定的时间进行配比。三是流程计算必须给予各制冷剂与天然气原料气各组分，可靠的平衡数据和物性参数，计算难度大。四是制冷剂压缩机维护技术标准高、要求严。4
三、结束语
综上所述，对于LNG产量小于8×114t／a的液化装置，过去国内积极引进国外单级混合制冷工艺技术，取得了丰富的工艺技术与丰富实际工程经验。小型混合制冷技术国产化取得阶段性的效能，造价及运行费用均很有优势。在一定程度下，这种工藝技术可以经过调节两个循环中混合制冷剂的桅使压缩机，在较宽的进气条件和大气环境下工作。
参考文献：
[1]王保庆 天然气液化工艺技术比较分析 天然气工业 2011.09
[2]蒋洪 朱聪 雷利 天然气流化装置工艺方案设计 油气田地面工程 2010.04